強電磁脈沖對雙極型晶體管的毀傷效應研究

王利萍 周東方 胡 濤 張國棟

(1.解放軍信息工程大學 鄭州 450001)(2.解放軍第三醫院 寶雞 721000)(3.73698部隊 福州 350001)

強電磁脈沖對雙極型晶體管的毀傷效應研究

王利萍1,2周東方1胡 濤1張國棟3

(1.解放軍信息工程大學 鄭州 450001)(2.解放軍第三醫院 寶雞 721000)(3.73698部隊 福州 350001)

為了得到雙極型晶體管在高頻電磁波作用下的效應機理,運用改進的二維半導體器件仿真程序,對雙極型晶體管在電磁脈沖作用下的瞬態響應特性進行了仿真分析,研究了高頻電磁波注入位置不同所造成的不同響應特性,分析了干擾電磁波頻率以及電壓幅度對于器件失效和燒毀的影響,并從理論上解釋了熱斑形成原因和失效電壓拐點存在原理，為艦載高功率微波的發展應用提供一定的參考價值。

超寬帶脈沖; 低噪聲放大器; 毀傷效應; 脈沖參數

Class Number TN011.2

1 引言

隨著電子系統的廣泛應用及近年來艦載高功率微波技術的深入研究與發展,雙極型晶體管(BJT)作為一種典型半導體器件,對它在強電磁脈沖作用下的損傷效應研究[19],具有相當重要的意義。這些文獻主要是通過實驗研究獲取了BJT的效應現象與閾值,沒有更深入地去揭示BJT的損傷效應機理,并且以往在這類研究中對于具有多個pn結的整體晶體管多數只是用一維數值模擬來近似[10],二維瞬態數值研究則較少[11～12],這樣就無法觀察到高電流密度下的發射極電流密集效應和Kirk效應,這恰恰是進行燒毀效應研究所要關注的情況,對于研究具有二維結構的晶體管在強電磁脈沖作用下的燒毀效應是十分重要的。本文利用自行編制的二維半導體器件仿真軟件對此進行仿真研究和分析。

2 建立模型

器件行為一般都是由電子和空穴連續性方程、電子和空穴輸運方程、泊松方程、熱流方程等一組非線性偏微分方程組來描述,并運用漂移、擴散理論,著重考慮高溫強場下遷移率、熱導率、產生率、復合率等參量。目前比較廣泛的是采用耦合與非耦合相結合的混合算法[13]對該組方程進行數值求解。先驅公司對載流子進行了合適的物理參數和模型選擇,然后利用時域有限差分法半導體基本方程進行編程處理,產生了MEDICI軟件,仿真模擬半導體器件在復雜電磁環境下的瞬態響應,包括正常工作、失效直至燒毀的全過程,是半導體器件高功率微波效應機理研究的理想仿真平臺。但是,目前由于計算機內存及計算速度的限制,半導體器件數值仿真MEDICI軟件僅應用于分立元器件或包含少量元器件簡單電路的效應仿真,在進行高功率微波作用于半導體器件仿真模擬時存在收斂速度慢、計算時間長的缺點,論文將實驗室研發的并行程序引入到半導體器件的仿真計算中,利用并行算法實現了半導體器件數值仿真的高效計算。仿真結果表明,實現并行之后,半導體器件仿真器的處理速度有了明顯的提高。

3 高頻電磁波激勵

圖1 雙極型晶體管

研究中把800K和1680K分別作為失效溫度和燒毀溫度,當局部位置達到該溫度即可認為器件發生失效或燒毀效應[15]。數值計算采用的BJT結構如圖1(a)所示。其中B、C、E分別表示基極、集電極和發射極,P、N分別為p型摻雜和n型摻雜,N+表示n型重摻雜,ad=9μm,de=3.7μm,ab=cd=2μm,其中摻雜分布如圖1(b)所示。

3.1 集電極注入

從集電極注入頻率為3GHz,幅度為40V的電磁波,器件內5ns時的溫度分布如圖2所示,溫度的峰值點出現在發射極的邊緣,另外在基極附近以及發射極和集電極之間的區域內也有較多熱量產生。

圖2 從集電極注入時器件內溫度分布

圖3 從集電極注入時器件燒毀和失效時間與電壓幅度、頻率的關系

分別固定電磁波頻率和幅度不變,仿真計算不同電壓幅度、不同頻率的電磁波激勵下器件燒毀過程,如圖3所示。從圖3(a)可以看出,燒毀時間和失效時間都是隨著電壓幅度增加而下降的,其中燒毀時間的下降趨勢比較明顯,經曲線擬合可以看出是反立方率下降的。從圖3(b)可以看出,燒毀時間隨著頻率增加基本呈線性趨勢上升,而失效時間變化不明顯,說明電磁波頻率對失效時間的影響比較小。

3.2 發射極注入

從發射極注入頻率為3GHz,幅度為30V的電磁波,器件內5ns時的溫度分布如圖4所示,溫度的峰值在發射極的邊緣上,另外,發射極和集電極之間的區域內也有相當熱量產生。

圖4 從發射極注入時器件內溫度分布

圖5 從發射極注入時器件燒毀和失效時間與電壓幅度、頻率的關系

分別固定電磁波頻率和幅度不變,仿真計算不同電壓幅度、不同頻率的電磁波激勵下器件燒毀過程,如圖5所示。從圖5(a)可以看出,燒毀時間和失效時間都是隨著電壓而下降的,其中燒毀時間的下降趨勢比較明顯,經曲線擬合可以看出是以負五次方的指數下降的。從圖5(b)中可以看出,燒毀時間隨著頻率的上升而基本呈線性上升的,電磁波頻率對失效時間的影響比較小。

3.3 基極注入

從基極注入頻率為3GHz,幅度為50V的電磁波,器件內2ns時的溫度分布如圖6所示,溫度的峰值出現在基極邊緣,該點熱量產生集中,升溫特別迅速。

由圖7擬合得到的脈沖幅度和燒毀時間的關系,可以看到在75V和85V之間有一個明顯的轉折電壓點,小于此電壓點,晶體管難以燒毀,大于此電壓點,晶體管燒毀時間大大縮短。為了說明其原因,以下對比了用75V和85V注入時晶體管內部參數變化的不同。

圖6 從基極注入時器件內溫度分布

圖7 脈沖幅度與燒毀時間擬合曲線

圖8對比了兩種電壓幅度的電壓脈沖注入,在波谷處晶體管器件內部場強和電流密度矢量,從圖中可以看出:可以清楚看到,75V的反向注入在基極和集電極的通路上形成的是單峰電場,基極和集電極之間的電流通道在75V反向偏置下并沒有打開,說明沒有反向擊穿BC結;而85V反向注入在基極和集電極通路上形成的是雙峰電場,形成了較強的反向電流,說明BC結被擊穿了,其中一峰在接近基極極板處,因而容易和基極電流共同形成功率體密度很強的區域,形成熱斑。

(a)75V,場強

(b)75V,電流密度矢量

(c)85V,場強

(d)85V,電流密度矢量圖8 75V和85V脈沖注入下,到達波谷時的場強和電流密度矢量

為了進一步觀察到以上結論,利用器件和電路聯合仿真器仿真得到y方向的電場強度如圖9所示和電流密度如圖10所示。圖9對比了y方向的電場強度,可以在集電極-基極通道上看到明顯的單峰和雙峰對比,而且擊穿使得接近發射極的基區電勢降低,因而在發射極和基極的y方向接觸面上形成了較強的反向電場。

(a)75V

(b)85V圖9 75V和85V兩種電壓脈沖注入到達波谷處時y方向電場強度對比

(a)75V

(b)85V圖10 75V和85V兩種電壓脈沖注入到達波谷時y方向電流密度對比

圖10對比了y方向的電流密度分布,75V反向注入時,在波谷處由于沒有反向擊穿CB結,在集電極和基極之間的通道上,電流密度很小;而此時EB結已經方向擊穿,基極的少子電子在向發射極運動的過程中,被電勢高的集電極所吸引而流向集電極,所以y向電流位置在C-B-E通道上。而85V反向注入時,在波谷處反向擊穿了CB結,所以在集電極和基極之間的通道上,出現了較強的反向電流。

通過仿真分析發現:對于高頻電磁波注入,集電極注入和發射極注入時溫度的峰值點都會出現在發射極的邊緣,兩種注入下燒毀時間和失效時間都是隨著電壓幅度而下降的。從失效機理上分析,從基極注入時,反向偏置引起功率體密度的集中,而更容易導致燒毀[16],且電壓脈沖損傷晶體管的電壓轉折點,取決于是否反向擊穿集電結。

4 結語

文章借助改進的二維半導體器件仿真程序,研究了雙極型晶體管各極注入強電磁脈沖的作用下,器件的熱斑形態及燒毀所需電壓幅度和頻率等問題。從失效機理上分析,電壓脈沖從基極注入時,反向偏置引起功率體密度的集中,而更容易導致燒毀,最后通過仿真解釋了電壓脈沖損傷晶體管電壓轉折點存在的原理,拐點前后失效機理的不同,也即是否反向擊穿集電結,造成了失效時間差異突出。

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Damage Effect of High Frequency Electromagnetic Wave on Bipolar Transistor

WANG Liping1,2ZHOU Dongfang1HU Tao1ZHANG Guodong3

(1. PLA Information Engineering University, Zhengzhou 450001) (2. The Third Hospital of PLA, Baoji 721000)(3. No. 73698 Troops of PLA, Fuzhou 350001)

In order to obtain the effect mechanism of bipolar transistor under the action of electromagnetic pulse, the transient response characteristics of are simulated by the improved two-dimensional semiconductor device simulation program. The different response characteristics caused by different electromagnetic injection positions, and the influence of electromagnetic wave frequency and voltage amplitude on the failure and burnout of the device was analyzed. The reason of the inflexion point of the voltage failure was explained theoretically. This research can provide some reference value for the development and application of carrier high power microwave.

ultra-wideband pulses, low-noise amplifier, damage effect, pulse parameters

2016年8月11日,

2016年9月25日

國家863高技術發展計劃項目;國家自然科學基金項目(編號:61201056;61271104)資助。

王利萍,女,博士研究生,研究方向:電磁場數值計算和電磁脈沖效應。周東方,男,博士,教授,博士生導師,研究方向:電磁場與微波技術、電磁脈沖效應。胡濤,男,博士,副教授,碩士生導師,研究方向:電磁場與微波技術、高功率微波效應。張國棟,男,博士,工程師,研究方向:微波功率模塊。

TN011.2

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.033